Niemożliwy (lecz działający!) przepis na ultrakrótkie impulsy laserowe

Niemożliwy (lecz działający!) przepis na ultrakrótkie impulsy laserowe

Warszawa, 23 lutego 2017
Niemożliwy (lecz działający!) przepis na ultrakrótkie impulsy laserowe
Impulsowe lasery zbudowane w całości na światłowodach są coraz chętniej
stosowane przez przemysł. Optycy z warszawskiego Centrum Laserowego
Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego
wytworzyli w światłowodzie ultrakrótkie impulsy o dużej energii, używając
w tym celu sposobu, który dotychczas uchodził za niemożliwy do zrealizowania.
Rozwiązanie okazało się nie tylko użyteczne, ale także zaskakująco proste!
W Centrum Laserowym Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) i Wydziału
Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) powstała nowatorska odmiana lasera
światłowodowego. Za pomocą pomysłowego i prostego w realizacji rozwiązania warszawscy
optycy „zmusili” jedną z odmian światłowodów do generowania ultrakrótkich impulsów o dużej
energii. Szczególnie ciekawy jest przy tym fakt, że użyta metoda była uznawana przez specjalistów
za niemożliwą do zrealizowania! Nowy laser jest przy tym pozbawiony mechanicznie wrażliwych
części zewnętrznych, co czyni go atrakcyjnym rozwiązaniem dla przemysłu. Zgłoszony do
opatentowania wynalazek już niedługo powinien wielokrotnie skrócić czas obróbki materiałów w
obrabiarkach laserowych.
„Laser światłowodowy można skonstruować tak, żeby wszystkie procesy ważne dla powstania i
kształtowania ultrakrótkich impulsów zachodziły w samym światłowodzie. Takie urządzenia,
pozbawione zewnętrznych, mechanicznie wrażliwych elementów, działają bardzo stabilnie i
idealnie nadają się do pracy w trudnych warunkach”, mówi dr hab. Yuriy Stepanenko (IChF PAN).
Akcja laserowa w światłowodzie prowadzi do powstania ciągłego strumienia światła. Uwalnianie
energii w jak najkrótszych impulsach jest jednak znacznie korzystniejsze, ponieważ oznacza duży
wzrost ich mocy. Za generowanie impulsów w laserach światłowodowych odpowiada układ
nazywany nasycalnym absorberem. Gdy natężenie światła jest małe, absorber blokuje światło, gdy
jest ono duże – przepuszcza. Ponieważ w impulsach femtosekundowych (a więc trwających
milionowe części jednej miliardowej sekundy) natężenie światła jest znacznie większe niż w ciągłej
wiązce, parametry absorbera można tak dobrać, żeby ten przepuszczał wyłącznie impulsy.
„W światłowodach jako nasycalny absorber stosowano m.in. płatki grafenu, nakładane cienką
warstwą na końcówkę światłowodu. Ale światłowody mają średnice rzędu pojedynczych mikronów.
Nawet niewielka energia upchnięta w tak małym przekroju ma znaczną gęstość na jednostkę
powierzchni, co wpływa na żywotność materiałów. Dlatego gdy próbowano zwiększać moc
impulsów femtosekundowych, grafen nałożony na czoło złączki ulegał zniszczeniu. Inne absorbery,
na przykład z nanorurek węglowych, także mogą ulec degradacji”, wyjaśnia mgr Jan Szczepanek,
doktorant z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i pierwszy autor publikacji w czasopiśmie
„Optics Letters”.
W celu wygenerowania w światłowodzie impulsów femtosekundowych o wyraźnie większej energii
warszawscy fizycy postanowili usprawnić nasycalne absorbery innego typu, działające nie dzięki
wyjątkowym właściwościom materiałów, a wskutek sprytnego wykorzystania takich zjawisk
optycznych jak efekty nieliniowe, powodujące zmianę współczynnika załamania szkła.
Światło jest falą elektromagnetyczną, której pola elektryczne i magnetyczne zwykle drgają w
przypadkowych, wzajemnie prostopadłych kierunkach. Gdy pola drgają cały czas w tej samej
płaszczyźnie, falę nazywa się spolaryzowaną liniowo. W zwykłej optyce przyjmuje się, że gdy taka
fala przemieszcza się przez ośrodek, odczuwa stały współczynnik załamania, niezależnie od
natężenia światła. W optyce nieliniowej jest inaczej: przy dostatecznie dużym natężeniu światła
współczynnik załamania zaczyna nieco rosnąć, tym bardziej, im większa jest wartość natężenia.
Nasycalny absorber zbudowany dzięki zmianom stanu polaryzacji w wyniku efektów nieliniowych
działa następująco. Na wejściu spolaryzowane liniowo światło jest dzielone na część o małym
natężeniu i część o dużym natężeniu. Ośrodek absorbera można tak dobrać, by obie części
odczuwały nieco inny współczynnik załamania, a więc by się poruszały z nieco innymi
prędkościami (fazowymi). Wskutek różnicy prędkości płaszczyzna polaryzacji zaczyna się obracać.
Na wyjściu z absorbera znajduje się filtr polaryzacyjny przepuszczający wyłącznie fale drgające
prostopadle do płaszczyzny polaryzacji światła wchodzącego. Gdy laser pracuje w trybie ciągłym,
światło w wiązce ma względnie małe natężenie, różnica dróg optycznych się nie pojawia,
polaryzacja się nie zmienia i filtr na wyjściu blokuje światło. Przy odpowiednio dużym natężeniu,
typowym dla impulsów femtosekundowych, obrót polaryzacji spowoduje, że impuls przeleci przez
polaryzator.
Aby nasycalny absorber z obrótem polaryzacji działał stabilnie, światłowód nie tylko musi mieć
różne współczynniki załamania w dwóch kierunkach (a więc być dwójłomny), ale oba te
współczynniki muszą być stałe. Problem w tym, że w zwykłych światłowodach dwójłomność
pojawia się przypadkowo, np. wskutek naprężeń wywołanych naciśnięciem palca. Lasery
zbudowane z takich światłowodów są niezwykle wrażliwe na czynniki mechaniczne. Z kolei
światłowody zachowujące polaryzację są tak silnie dwójłomne, że impuls rozchodzi się w nich
praktycznie tylko w jednym kierunku i skonstruowanie absorbera z obrotem polaryzacji przestaje
być fizycznie możliwe.
„Na świecie produkuje się już dwójłomne światłowody zachowujące stan polaryzacji wpuszczanego
do nich światła. My jako pierwsi zademonstrowaliśmy, jak z ich użyciem skonstruować nasycalny
absorber: tniemy światłowód na segmenty o odpowiedniej długości i łączymy je ponownie, każdy
kolejny obracając o 90 stopni względem poprzedniego”, mówi doktorant Szczepanek.
„Obrót powoduje, że jeśli w jednym segmencie impuls o polaryzacji powiedzmy pionowej
przemieszczał się wolniej, w kolejnym będzie biegł szybciej i dogoni drugi impuls, spolaryzowany
prostopadle. Prosty zabieg pozwolił nam zatem wyeliminować główną przeszkodę na drodze do
zwiększenia energii, czyli dużą różnicę prędkości między impulsami o różnych polaryzacjach,
typową dla światłowodów zachowujących polaryzację”, wyjaśnia dr Stepanenko.
Im więcej obróconych segmentów, tym lepsza jakość impulsów generowanych w światłowodzie. W
laserze zbudowanym w warszawskim laboratorium nasycalny absorber składał się ze światłowodu
długości ok. 3 m, podzielonego na 3 segmenty, oraz filtrującego elementu polaryzacyjnego.
Potencjalnie liczbę obróconych segmentów można zwiększyć nawet do kilkunastu.
Nowy laser wytwarza impulsy femtosekundowe o wysokiej jakości i dużej energii, nawet tysiąc razy
większej niż w laserach z absorberami materiałowymi. Z kolei w porównaniu do dotychczasowych
laserów z absorberami z obrotem polaryzacji urządzenie warszawskich fizyków ma znacznie
prostszą konstrukcją, a więc i większą niezawodność.
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (http://www.ichf.edu.pl/) został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych
instytutów chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii
fizycznej i fizyki chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w dziewięciu zakładach naukowych. Działający w ramach Instytutu
Zakład Doświadczalny CHEMIPAN wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do zastosowań m.in.
w rolnictwie i farmacji. Instytut publikuje około 200 oryginalnych prac badawczych rocznie.
KONTAKT:
dr hab. Yuriy Stepanenko
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie
tel.: +48 22 3433446, +48 22 3433412
email: [email protected]
PUBLIKACJE NAUKOWE:
1.
„Ultrafast laser mode-locked using Nonlinear Polarization Evolution in Polarization Maintaining Fibers”
J. Szczepanek, T. M. Kardaś, Cz. Radzewicz, Y. Stepanenko
Optics Letters Vol. 42, Issue 3, pp. 575-578 (2017)
DOI: https://doi.org/10.1364/OL.42.000575
POWIĄZANE STRONY WWW:
http://www.ichf.edu.pl/res/CL/
Strona Centrum Laserowego Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk i Wydziału Fizyki Uniwersytetu
Warszawskiego.
http://www.ichf.edu.pl/
Strona Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.
http://www.ichf.edu.pl/press/
Serwis prasowy Instytutu Chemii Fizycznej PAN.
http://www.ichfdlafirm.pl/
Oferta Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk skierowana do przedsiębiorców i przemysłu.
MATERIAŁY GRAFICZNE:
IChF170223b_fot01s.jpg
HR: http://ichf.edu.pl/press/2017/02/IChF170223b_fot01.jpg
Warszawscy fizycy wytworzyli w światłowodzie ultrakrótkie impulsy o dużej energii, używając w tym celu sposobu, który dotychczas
uchodził za niemożliwy do zrealizowania. Na zdjęciu doktorant Jan Szczepanek przy innowacyjnym laserze światłowodowym. (Źródło:
IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)
IChF170223b_fot02s.jpg
HR: http://ichf.edu.pl/press/2017/02/IChF170223b_fot02.jpg
Zasada działania nasycalnego absorbera z obrotem polaryzacji. W absorberze płaszczyzna polaryzacji światła o małym natężeniu tylko
nieznacznie się obraca i ciągła wiązka jest blokowana przez polaryzator (zdjęcia dolne). Ultrakrótkie impulsy mają duże natężenie
światła, w absorberze ich płaszczyzna polaryzacji obraca się o 90 stopni i dlatego przechodzą przez polaryzator. (Źródło: IChF PAN,
Grzegorz Krzyżewski)